新形勢下信號處理綜合實踐教學設計

摘 要：當前，高等教育正在全面提升教育服務能力，以培養高素質應用型人才為目標，為構建新發展格局提供堅強支撐。在此種新形勢下，針對電子信息類專業單門課程實驗項目知識面拓展不夠、系統性缺乏的現狀，依托基于物聯網技術的信號處理綜合實踐平臺，構建“線上+線下”融合的綜合實踐教學模式。引入工程項目實例作為實踐內容，拆解項目為各個知識模塊，學生通過碎片化的積累、模塊化的學習，像搭積木一樣完成整個項目的設計，由此可以融會貫通地掌握專業大類核心課程的知識。信號處理綜合實踐教學充分將課內與課外融合、虛擬和現實融合，強調學生主體性、主動性以及教師的導向作用。應用效果表明，該模式能有效激發教學活力，提高專業人才培養質量。

關鍵詞：“線上+線下”；物聯網；信號處理；綜合實踐；融合教學；教學模式

中圖分類號：TP39；TN914 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-04

0 引 言

為適應和引領經濟發展新常態，服務創新驅動發展大局，黨中央、國務院明確要求高等教育要回歸以本為本，旨在培養具有較強社會適應能力和競爭能力的高素質應用型人才。教育部2022年工作要點中也提出要全面提升教育服務能力，為構建新發展格局提供堅強支撐[1]。高校實踐教學是落實立德樹人新要求，培養學生創新創業能力、自主學習能力、團隊協作能力的關鍵環節。我校作為省級特色應用型本科示范建設高校，在服務區域經濟、工程教育專業認證及實踐類課程教學方面取得了比較豐碩的成果。信號處理綜合實踐是我校面向電子信息工程、通信工程及電子信息科學與技術專業本科生而開設的綜合性專業實踐教學課程，在培養學生樹立工程意識、解決工程問題的能力方面發揮了重要作用。受新冠疫情等大規模突發事件的影響，大范圍、集中線上教學已成為新常態。今后，線上、線下混合式教學模式也必將常態化[2]。為了適應新形式，實踐教學模式和內容設置也要具備更強的靈活性和自主性，更大程度地為學生提供沉浸式、全過程、全要素的綜合實踐項目。搭建開放自由的學習環境，強化過程管理與評價，探索數字化實踐教學新體系[3-5]。基于“線上+線下”融合的教學模式，本文設計了信號處理綜合實踐教學框架。通過引入工程項目實例作為實踐內容，拆解項目為各個知識模塊，學生可以方便地通過碎片化的積累、模塊化的學習，像搭積木一樣完成整個項目的設計，進而可以融會貫通地掌握專業大類核心課程的知識。

1 綜合實踐教學理念

電子信息與通信類專業的核心課程有信號與系統、數字信號處理、通信原理、高頻電子技術應用、嵌入式系統設計等。傳統單門課程的實驗項目僅針對課程本身相關章節的知識點設置，知識面拓展不夠、缺乏系統性；并且2個學時的線下實驗室教學也難以充分培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，學生的自主學習能力被削弱。有限的時間內，師生之間缺少交流，教師也無法全面且細致地滿足學生個性化的訴求[6-9]。

綜合實踐教學是基于系統集成的理念，以工程項目實例為對象，把整個項目拆解成子模塊，再細化到具體科目的相關知識點。課程內容之間有機聯系，完成項目的同時也將專業核心知識點進行串聯，讓學生可以更好地理解每一個知識點及其在具體工程中的應用。學生分別完成模塊設計，再像搭積木一樣完成系統集成。這種模式極大地降低了學習難度，增強了學生的參與意識，提升了學習主動性。

目前，“線上+線下”融合的教學模式優勢在于能將課內與課外知識聯系起來。踐行虛擬和現實全場景、設計過程全要素、師生全參與的能力培養方案。實現這種融合模式的前提是構建集教研、教學、互動溝通為一體的在線綜合實踐教學平臺，為師生提供開源共享的學習資源。內容板塊包含項目應用背景、項目解析、實踐要求、完備具體的實踐步驟及各模塊設計的演示Demo。溝通板塊確保信息實時暢通、答疑服務優質高效。線上模式能兼顧各種層次學生的需求，便于學生自學。學生不受時間與地域的限制，可以根據自身狀況自行選擇學習內容。豐富的網絡資源，不但方便了在校學生的學習，也為畢業生提供了持續學習與提升的平臺。

線下實踐教學活動在實操的基礎上更加注重師生交流與學生的反饋。指導教師組建實踐指導團隊，群策群智，把實踐項目涉及的知識點分類講解、逐一擊破。既保證基礎差、底子薄的學生跟上學習進度，又保證尖子生得到充分的拓展與深化。實踐過程中，教師根據項目拆解任務提出問題，引導學生自主探究、小組協作學習來解決問題，發現科學規律、掌握科學知識，以達到增強自主學習的能力、增強溝通協作能力、積累經驗的目的。

2 綜合實踐教學實施

2.1 資源建設

線上教學主要是基于雨課堂平臺上傳各種文本、PPT、微課視頻，及常用軟件的使用說明等開源資料。通過騰訊會議、微信群等新媒體完成發布通知、輔導答疑及互動交流。實踐過程中為避免課程內容重復，將以知識點為單元錄制視頻微課。信號處理類課程以信號與系統這門課為核心，圍繞其“信號分析”“系統分析”“系統綜合”這3個板塊內容向外輻射到通信原理、數字信號處理、高頻電子技術及嵌入式系統設計等課程的相應核心知識點[10-14]。綜合實踐教學將多課程有機融合，給學生呈現一個整體的信號處理知識脈絡，如圖1所示。

下面以基于物聯網技術的信號處理綜合實踐平臺為例介紹實踐教學內容安排。基于物聯網技術的信號處理綜合實踐平臺以“基于物聯網云技術的電能質量監測系統研究”等科研項目的研究成果和“一種電網諧波源定位檢測方法”等發明專利為基礎，從實際應用出發，融合各課程知識點設計拆解出功能子模塊。實踐內容涵蓋嵌入式微處理器的應用、通信技術、數字系統設計、信號處理及譜分析、應用軟件開發、數據分析與圖形化等。從內容上保障學生能接觸到實際工程問題，循序漸進地完成設計任務，從而達到綜合鍛煉的目的。

設計任務包括：電能質量監測裝置的設計、數據傳輸及云平臺的搭建、應用端軟件開發，結構框圖如圖2所示。

感知層的電能質量監測裝置將被安裝在配電柜母線上，用于監測用戶正常用電時的電能質量信息；網絡層對監測節點上傳的海量數據進行分析、處理、存儲，同時向應用層發布來自應用端訂閱的信息；應用層為基于PC設備或手機等移動終端的應用軟件，可完成對訂閱的不同監測點的數據進行統計分析及處理。

2.2 實施過程

2.2.1 組織形式

為了培養學生的團隊協作與組織協調能力，將參加實踐的學生分成3人1組，組內成員自行分工。實踐教學學時為4周，學生通過線上平臺提供的文本說明、知識點視頻、設計Demo等做好預習。線下實操時，指導教師主要參與學生的討論并答疑，對共性問題進行集中講解并補充到線上資源中，實現正反饋。組織形式如圖3所示。

2.2.2 具體設計過程

將設計任務拆解成具體模塊及相應課程的知識點，并提供參考的技術路線及設計方案。

（1）電能質量監測裝置

電能質量監測裝置作為硬件系統被安裝在配電柜母線上，采集實時電壓、電流信息，并將信息上傳至云數據平臺。監測裝置結構如圖4所示。

該部分作為實踐過程的第一個設計任務，也可獨立構成設計單元。引導學生構建系統設計理念。該模塊涉及的核心專業知識包括：信號檢測、傳感器技術、采樣定理（模數轉換）、編碼（數字調制）、通信協議、硬件電路設計、軟件使用及程序設計等。

（2）數據傳輸及云平臺

物聯網平臺和云存儲技術可為多個電能質量監測裝置和多個應用建立數據傳輸和數據存儲的載體。通用的物聯網數據傳輸模式[15]如圖5所示。

Modbus是工業物聯網應用中數據傳輸的首選協議，學生深入學習Modbus協議并按要求完成設計后，若發現云平臺數據解析時有丟包及數據漏報的情況，教師要及時指導學生分析可能的原因，共同探索解決方案。著手點可以是查看Modbus報文長度限制及單次所傳參數個數是否匹配，讓學生在實踐中體驗實際項目開發過程中的試錯、改進與提高。

云平臺選用阿里云物聯網平臺，借助該平臺可以完成采集數據的存儲、可視化分析、信息發布等，構建流程如圖6所示。

創建產品和對應設備是使用物聯網平臺的第一步，產品是一類具有相同功能的設備集合。本項目定義的產品基本信息包括產品名稱、節點類型、數據格式、聯網協議等。

產品創建完成后，可以為它定義物模型，產品下的設備將自動繼承物模型內容。所謂的物模型就是將實際產品抽象成由屬性、服務、事件所組成的數據模型，便于云端管理和數據交互[16]。本項目共涉及三相電壓、電流、諧波等141個電能質量參數，物模型屬性均按上述方法定義。

創建產品后，要為其添加設備，每個實際設備需對應一個物聯網平臺設備。將物聯網平臺頒發的設備證書（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）燒錄到設備上，用于設備與物聯網平臺連接時進行身份驗證。設備上報信息為透傳數據，要按照需求進行數據解析才能應用。本項目采用JavaScript編寫解析腳本。

（3）應用端軟件平臺

應用端主要是可以聯網的設備，如臺式機、筆記本電腦、手機等。通過開發終端軟件平臺，調取不同監測點的數據并進行分析和處理，能夠實現三相電參量測量（三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率等）、高次諧波測量、電網質量分析及綜合評估。最終為管理者、技術人員提供數據支撐和決策指導。

2.2.3 考核

綜合實踐教學的考核方式突出以學生為中心的理念，體現公平原則，并且考核方案具有可操作性。

本實踐教學的考核摒棄了傳統單一的考核形式，充分考慮到學生在設計進程中每一個細微之處的努力程度、參與程度和貢獻程度，實行全要素全過程考核。線上部分可參考雨課堂的各項統計數據，包括演示視頻的觀看完成度、相關設計附件的提交，其中預習及提交的附件占10%的權重，由系統自動給分；設計過程占80%的權重；答辯過程占10%的權重。

開辟線上評分系統子模塊，并設定一些量化觀測點，教師深入指導過程中隨時根據觀測點給分。設計過程中組內成員互評及組間互評時也依據這些觀測點。

觀測點的設定充分遵循了項目研發到項目落地運行的內在規律，鼓勵學生主動學習、探索實踐、把握課程之間的有機聯系。從自學能力、探究能力、團隊協作能力和文本編輯及語言表述能力等多個層面綜合考評學生。

3 綜合實踐教學實施成效

信號處理綜合實踐鍛煉了學生的綜合素養，具體表現在參加學科競賽的踴躍性明顯增強、獲獎數量與質量顯著提升。開展綜合實踐以來，電子與信息工程學院的學生在全國大學生電子設計競賽、全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽、“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽、全國大學生智能互聯大賽等標志性賽事中參賽率達50%以上，獲獎率在30%以上。在大學生電子設計競賽獲獎率排行榜中，連續多年在省內工科院校中位列第2名。還有相當一部分學生掌握了參與教師科研項目的基本技能，其就業競爭力進一步得到擴展且更具優勢。良好的人才培養質量與就業出口對于低年級的學生具有積極的示范意義與傳承性。

隨著信號處理綜合實踐教學的開展，我校電子信息、電子信息科學與技術、通信工程等專業的建設水平也穩步提升。圍繞信號處理綜合實踐，以課程團隊為切入點打造科研團隊，使教師個人的研究領域更有針對性，研究成果也更加成體系。科研項目為師生提供了施展才能的平臺，也調動了教師指導學生的積極性。科研促進教學得以真正步入良性循環階段。

4 結 語

在高等教育回歸以本為本、以培養高素質應用型人才為目標的新形勢下，依托基于物聯網技術的信號處理綜合實踐平臺，構建了“線上+線下”融合的綜合實踐教學模式。充分將課內與課外融合、虛擬和現實融合。強調學生主體性、主動性以及教師的導向作用。探索實踐教學實例化、數字化，考核過程多元化、數據化。在我校電子與信息工程學院3個專業幾年來的應用效果表明，該模式能有效激發教學活力，使專業人才培養質量有實質性提高。

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作者簡介：康 輝（1980—），男，滿族，黑龍江湯原人，碩士，講師，主要研究方向為信號與信息處理。

收稿日期：2023-12-06 修回日期：2024-01-10

基金項目：黑龍江省教育科學“十四五”規劃2022年度重點課題（GJB1422119）；黑龍江科技大學2023年校教研課程思政研究專項重點項目（JY23-50）